Chế tạo mẫu hàn ứng với các phương án hàn khác nhau

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (6.22 MB, 83 trang )

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

CHẾ TẠO MẪU HÀN ỨNG VỚI
CÁC PHƯƠNG ÁN HÀN KHÁC NHAU

GVHD: TS

NGUYỄN VĂN THỨC

SVTH: CHÂU TẤN PHƯỚC
LÊ ANH VŨ
THÁI HUY HỒNG

SKL009781

Tp.Hồ Chí Minh, tháng 2/2023

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐÀO TẠO CHÂT LƯỢNG CAO
NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
CHẾ TẠO MẪU HÀN ỨNG VỚI

CÁC PHƯƠNG ÁN HÀN KHÁC NHAU
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: TS. NGUYỄN VĂN THỨC
SINH VIÊN THỰC HIỆN: CHÂU TẤN PHƯỚC 18143136
LÊ ANH VŨ

18143187

THÁI HUY HỒNG 18143089

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 2/2023

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO
NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
CHẾ TẠO MẪU HÀN ỨNG VỚI
CÁC PHƯƠNG ÁN HÀN KHÁC NHAU
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: TS. NGUYỄN VĂN THỨC
SINH VIÊN THỰC HIỆN: CHÂU TẤN PHƯỚC 18143136
LÊ ANH VŨ

18143187

THÁI HUY HỒNG 18143089

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 1/2023

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Thức
Sinh viên thực hiện: Châu Tấn Phước MSSV: 18143136 ĐThoại 0965836570
Lê Anh Vũ

MSSV: 18143187

ĐThoại 0389876306

Thái Huy Hoàng

MSSV: 18143089

ĐThoại 0346659925

1. Tên đề tài:
CHẾ TẠO MẪU HÀN ĐẮP ỨNG VỚI CÁC PHƯƠNG ÁN HÀN KHÁC NHAU
2. Các số liệu, tài liệu ban đầu:
- Luận văn thạc sĩ: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG THÔNG SỐ HÀN ĐẮP ĐẾN
ĐỘ BÊN KÉO CỦA LỚP ĐẮP – Nguyễn Cơng Chính.

- Các phương án hàn đắp.
- Sử dụng máy CNC và máy hàn MAG.
3. Nội dung chính của đồ án:
- Tổng quan về cơng nghệ hàn đắp
- Tìm hiểu về các thông số hàn đắp
- Thực hiện hàn các mẫu ứng với các phương án khác nhau
4. Các sản phẩm dự kiến
- Mơ hình sản phẩm thực tế
- Báo cáo phân tích
5.

Ngày giao đồ án: Ngày 11 tháng 7 năm 2022

6.

Ngày nộp đồ án: Ngày 18 tháng 2 năm 2023

7. Ngơn ngữ trình bày:

TRƯỞNG KHOA
(Ký, ghi rõ họ tên)

Tiếng Anh  Tiếng Việt



Trình bày bảo vệ: Tiếng Anh  Tiếng Việt



Bản báo cáo:

TRƯỞNG NGÀNH
(Ký, ghi rõ họ tên)

2

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
(Ký, ghi rõ họ tên)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Dành cho giảng viên hướng dẫn)
Họ và tên sinh viên:
1. Châu Tấn Phước

MSSV: 18143136

2. Lê Anh Vũ

MSSV: 18143187

3. Thái Huy Hoàng

MSSV: 18143089

Tên đề tài:
Chế tạo mẫu hàn đắp ứng với các phương án hàn khác nhau
Ngành đào tạo: Công nghệ chế tạo máy
Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Thức
Ý KIẾN NHẬN XÉT
1. Nhận xét về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
2. Nhận xét về kết quả thực hiện của ĐATN
2.1. Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
2.2. Nội dung đồ án:
(Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên
cứu có thể tiếp tục phát triển)
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................

3

2.3. Kết quả đạt được:
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
..................................................
2.4. Những tồn tại (nếu có):
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
..................................................
3. Đánh giá
TT
1

2

Mục đánh giá

Điểm tối đa

Hình thức và kết cấu ĐATN

30

Đúng format với đầy đủ cả hình thức và
nội dung của các mục

10

Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài

10

Tính cấp thiết của đề tài

10

Nội dung ĐATN

50

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học,
khoa học và kỹ thuật, khoa học xã hội...

5

Khả năng thực hiện / phân tích / tổng
hợp / đánh giá

10

Khả năng thiết kế chế tạo một hệ thống,

thành phần, hoặc quy trình đáp ứng yêu
cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế.

15

Khả năng cải tiến và phát triển

15

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật,
phần mềm chuyên ngành...

5

3

Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề
tài

10

4

Sản phẩm cụ thể của ĐATN

10

Tổng điểm

100

4

Điểm đạt được

4. Kết luận
 Được phép bảo vệ
 Không được phép bảo vệ
TP. Thủ Đức, ngày tháng năm 2023
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)

5

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật
TP. Hồ Chí Minh. Nhóm em đã được giao đề tài đồ án tốt nghiệp nghiên cứu về đề
tài: “Chế tạo mẫu hàn ứng với các phương án hàn khác nhau”.
Để đồ án này đạt kết quả tốt đẹp, chúng em đã nhận được hỗ trợ nhiệt tình của
các thầy cơ, tổ chức, cá nhân trong và ngồi trường. Với lịng biết ơn chân thành
nhất, cho phép chúng em được gửi lời cảm ơn sâu sắc đến tất cả các thầy cô, các cá
nhân, cơ quan đã tạo điều kiện giúp đỡ chúng tơi trong q trình học tập và làm đồ
án.
Đặc biệt, cho chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy TS. Phạm
Sơn Minh, thầy TS. Trần Minh Thế Uyên, thầy TS. Nguyễn Văn Thức, thầy ThS
Trương Thành Công, thầy KS. Nguyễn Văn Mang, thầy TS. Nguyễn Văn Minh và
cô ThS. Vương Thị Ngọc Hân đã quan tâm giúp đỡ, chỉ bảo, định hướng những
công việc làm sắp tới và tìm cách giải quyết các vấn đề để đạt kết quả tối ưu nhất
trong thời gian qua.

Và cuối cùng, chúng tơi được bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến lãnh đạo Trường
Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh, các Khoa, các Phịng ban chức năng, nhà
xưởng đã tạo điều kiện giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình học tập và làm đồ án
tốt nghiệp.
Với điều kiện và vốn kiến thức cịn hạn chế, q trình làm đồ án tốt nghiệp
này không thể tránh khỏi được nhiều thiếu sót. Vì vậy chúng em rất mong nhận
được sự đóng góp của Thầy, Cơ để đồ án này được hoàn chỉnh hơn. Từ đây nâng
cao kiến thức của bản thân và phục vụ tốt quá trình làm việc sau này.

6

TÓM TẮT
Ngày nay khái niệm về phương pháp hàn, trong đó có hàn MAG là phương
pháp rất phổ biến trong ngành chế tạo nói chung. Ngồi ứng dụng thơng thường,
phương pháp hàn MAG còn được dùng để khắc phục, sửa chữa các chi tiết bị mài
mòn, gãy, vỡ hoặc nứt... Ngồi ra phương pháp này cịn có thể cải thiện được tính
chất cơ lý nhằm làm tăng tuổi thọ cho chi tiết.
Tận dụng những ưu điểm của hàn MAG, trong những năm gần đây, nhiều
người đã tiến hành nghiên cứu và cho ra phương pháp gia công mới giúp làm giảm
đáng kể thời gian cũng như lượng vật liệu để tạo ra sản phẩm mới so với phương
pháp gia công truyền thống. Đó là phương pháp gia cơng đắp lớp hồ quang
(WAAM). Phương pháp này có khả năng tạo ra những chi tiết có biên dạng gần
giống như chi tiết đã được gia công bán tinh bằng cách đắp từng lớp kim loại chồng
lên nhau và theo biên dạng giống như của chi tiết.
Tuy nhiên, để đạt được sản phẩm như mong muốn thì độ bền của chi tiết được
đắp cần phải được đảm bảo và cân nhắc. Trong đó, tổ chức tế vi và độ bền kéo là
một trong những yếu tố quan trọng và sẽ được tiến hành thí nghiệm trong đề tài này.
Hiện tại vẫn chưa có nhiều nghiên cứu về đề tài này ở Việt Nam.
Để kiểm tra ảnh hưởng của phương án hàn đắp đến tổ chức tế vi và độ bền kéo

của chi tiết hàn đắp, nhóm em đã chọn ra 4 phương án có ảnh hưởng đến độ bền kéo
cũng như tổ chức tế vi của sản phẩm hàn đắp. Sau khi tiến hành chọn ra thông số
cần thiết cũng như đưa ra những phương án để tiến hành thí nghiệm, ta tiến hành thí
nghiệm đắp lớp mẫu bằng sự kết hợp giữa phương pháp hàn MAG và máy CNC.
Các mẫu sau khi được đắp lớp sẽ được kiểm tra tổ chức tế vi bằng kính hiển vi và
độ bền kéo bằng phương pháp phá hủy ở nhiệt độ phòng. Phương pháp này được
ứng dụng rộng rãi trong các ngành sản xuất kim loại, chế tạo cơ khí, đúc luyện kim
và kiểm định vật liệu… Từ đó thu được các số liệu cần thiết nhằm phục vụ cho việc
phân tích chất lượng của mẫu và hiệu quả của các phương án hàn.

7

MỤC LỤC
PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .......................................................... 3
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... 6
TÓM TẮT ................................................................................................................. 7
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................ 10
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ........................................................................... 12
DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ BIỂU ĐỒ .............................................................. 13
Chương 1 ................................................................................................................ 15
MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 15
1.1.

Đặt vấn đề ................................................................................................. 15

1.2.

Tình hình nghiên cứu trong nước. .......................................................... 15

1.3.

Tình hình nghiên cứu ngồi nước. ......................................................... 16

1.4.

Mục tiêu của đề tài ................................................................................... 17

1.5.

Đối tượng, phạm vi nghiên cứu ............................................................... 17

1.6.

Phương pháp nghiên cứu ........................................................................ 17

1.7.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ................................................ 18

1.8.

Giới hạn của đề tài ................................................................................... 18

1.9.

Kết cấu đồ án ............................................................................................ 18

Chương 2 ................................................................................................................ 20
CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................................................. 20

2.1 Tổng quan về công nghệ gia công đắp lớp AM .............................................. 20
2.2 Phân loại công nghệ đắp lớp AM .................................................................... 20
2.3. Gia công đắp lớp bằng hồ quang (Wire Are Additive Manufacturing WAAM) ................................................................................................................... 22
2.4 Hàn hồ quang nóng chảy trong mơi trường khí bảo vệ ................................. 25
2.5. Quy đinh chung trong chế tạo mẫu thử kéo .................................................. 38
2.6. Cơ sở lý thuyết về kiểm tra và đánh giá mẫu ................................................. 40
Chương 3 ................................................................................................................ 48
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẪU THỬ KÉO .................................. 48
3.1. Kiểm nghiệm hình dạng các đường hàn ứng với các phương án hàn khác
nhau…. ................................................................................................................... 48
3.2. Thiết kế mẫu thử ............................................................................................. 50
8

3.3. Quá trình chế tạo mẫu thử ............................................................................. 52
Chương 4 ................................................................................................................ 57
KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ MẪU ........................................................................ 57
4.1. Quá trình thử kéo ............................................................................................ 57
4.2. Quá trình quan sát tế vi .................................................................................. 60
Chương 5 ................................................................................................................ 65
THỐNG KÊ VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ KIỂM TRA MẪU ................................ 65
5.1. Thông số mẫu thử của các phương án .......................................................... 65
5.2. Thông số độ bền kéo tại các vị trí của các phương án .................................. 70
Chương 6 ................................................................................................................ 76
KẾT LUẬN ............................................................................................................. 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 78

9

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
TCVN 197

Tiêu chuẩn Việt Nam 197.

CNC

Computer numerical control.

CAD

Computer aided design

DCEP

Dây hàn nối với cực dương của nguồn điện.

AM

Additive Manufacturing.

WAAM

Wire Arc Additive Manufacturing.

GMAW

Gas Metal Arc Welding.

GTAW

Gas Tungsten Arc Welding.

MIG

Metal Insert Gas.

MAG

Metal Active Gas.

TIG

Tungsten Insert Gas.

NSTWS

Non-supporting thin-wall structure.

DC

Nguồn điện một chiều.

AC

Nguồn điện xoay chiều.

SLM

Selective Laser Melting.

SLA

Stereolithography.

SLS

Selective lazer sintering.

FDM

Fused deposition modeling.

LMD

Lazer metal deposition.

LOM

Laminated object manufacturing.

BJ

Binder jetting.

KTPH

Kiểm tra phá hủy.

KTKPH

Kiểm tra không phá hủy.

ASTME

American Society for Testing and Materials.

ISO

International Organization for standardization.

AWS

American Welding Society.

DT

Destructive testing.

DED

Direct Energy Deposition.

PBF

Powder Bed Fusion.

ASTM

American Society for Testing and Materials.

LENS

Laser Engineering Net Shape.

EBAM

Electron Beam Additive Manufacturing.

EBM

Electron Additive Melting.
10

UV

Ultraviolet Light.

UAM

Ultrasonic additive manufacturing.

BTF

Buy to Fly ratios.

11

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Một số loại khí thường dùng để hàn MIG và hàn MAG (Theo tiêu chuẩn
DIN) [4] ...............................................................................................................28
Bảng 2.2 Ảnh hưởng của khí trộn đến sự ổn định của hồ quang và tạo hình mối
hàn [4] ..................................................................................................................29
Bảng 2.3 Kí hiệu theo AWS [5] .............................................................................30
Bảng 2.4 Tầm với điện cực đối với đường kính .....................................................36
Bảng 2.5 Ảnh hưởng vị trí hàn ...............................................................................37
Bảng 2.6 Kích thước mẫu kéo theo tiêu chuẩn ASTM [7] .....................................39
Bảng 2.7 Quan hệ giữa cấp hạt và diện tích hạt .....................................................46
Bảng 3.1 Kích thước mẫu kéo theo tiêu chuẩn ASTM [7] .....................................50
Bảng 3.2 Các trường hợp mẫu thử .........................................................................51
Bảng 3.3 Kích thước dây hàn, dịng điện và lượng khí sử dụng ............................53
Bảng 3.4 Thơng số dây hàn ....................................................................................53
Bảng 3.5 Thành phần hóa học của dây hàn ............................................................53
Bảng 5.1 Kết quả kiểm tra trung bình của các phương án .....................................65

12

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ BIỂU ĐỒ
Hình 2.1 Ngun lý hoạt động của AM .................................................................20
Hình 2.2 Các phương pháp đắp lớp........................................................................20
Hình 2.3 Cấu tạo hệ thống WAAM........................................................................22
Hình 2.4 Một số chi tiết từ WAAM .......................................................................24
Hình 2.5 Cơ cấu hàn hồ quang nóng chảy trong mơi trường khí bảo vệ (GMAW)
.............................................................................................................................25
Hình 2.6 Sơ đồ hệ thống hàn MAG........................................................................26
Hình 2.7 Dây hàn....................................................................................................31
Hình 2.8 Cấu tạo của súng hàn ...............................................................................32

Hình 2.9 Bộ cấp dây ...............................................................................................33
Hình 2.10 Van chỉnh áp và bình khí.......................................................................33
Hình 2.11 Nguồn máy hàn .....................................................................................34
Hình 2.12 Chuyển dịch tia và chuyển dịch dạng cầu .............................................34
Hình 2.13 Biểu đồ dao động hồ quang kiểu chuyển dịch ngắn mạch ....................35
Hình 2.14 Tầm với điện cực ...................................................................................36
Hình 2.15 Ảnh hưởng của tốc độ hàn đến mối hàn................................................37
Hình 2.16 Tốc độ cấp dây hàn hợp lý (trái) và chưa hợp lý (phải) ........................37
Hình 2.17 Các vị trí hàn: Hàn kéo – Thẳng đứng – Hàn đẩy .................................38
Hình 2.18 Kích thước mẫu thử nghiệm độ bền kéo ...............................................39
Hình 2.19 Biểu đồ biến dạng vật liệu .....................................................................42
Hình 2.20 Thước trắc vi .........................................................................................45
Hình 3.1 Ảnh minh họa đường hàn trong các trường hợp của mẫu và hình ảnh
thực nghiệm theo chiều từ trên xuống .................................................................48
Hình 3.2 Ảnh minh họa đường hàn trong các trường hợp của mẫu và hình ảnh
thực nghiệm theo chiều từ trên xuống .................................................................49
Hình 3.3 Mẫu thử kéo.............................................................................................50
Hình 3.4 Thơng số mẫu hàn ...................................................................................52
Hình 3.5 Các dụng cụ, thiết bị cho việc chế tạo mẫu kéo ......................................52
Hình 3.6 Gá tấm đế lên bàn gá ...............................................................................54
Hình 3.7 Quá trình chế tạo mẫu thử kéo ................................................................54
Hình 3.8 Quá trình chế tạo mẫu thử kéo ................................................................55
Hình 3.9 Quá trình gia cơng mẫu thử kéo ..............................................................56
Hình 4.1 Các dụng cụ, thiết bị cho việc thử kéo: ...................................................57
Hình 4.2 Tiến hành thử kéo:...................................................................................58
Hình 4.3 Mẫu trước và sau khi kéo ........................................................................58
Hình 4.4 Các vị trí xác định lực kéo đứt (Fm), lực kéo chảy lớn nhất (Upper yield
point) và lực kéo đàn hồi P1, P2 (E_Begin và E_End) trên biểu đồ biến dạng của
mẫu ......................................................................................................................59
Hình 4.5 Biểu đồ quan hệ giữa lực kéo và biến dạng khi kéo ...............................59

Hình 4.6 Các dụng cụ, thiết bị cho việc quan sát tế vi ...........................................60
Hình 4.7 Máy cưa được dùng để cắt mẫu ..............................................................61
Hình 4.8 Máy mài và đánh bóng mẫu MP-2B Grinder Polisher ............................62
Hình 4.9 Quan sát kính hiển vi ...............................................................................62
13

Hình 4.10 Ảnh chụp tế vi quan sát trên kính hiển vi..............................................63
Hình 4.11 Ảnh chụp tế vi quan sát trên kính hiển vi..............................................64
Hình 5.1 Vị trí lấy mẫu kéo của khối mẫu 1 ..........................................................65
Hình 5.2 Biểu đồ ứng suất của các phương án khác nhau .....................................66
Hình 5.3 Biểu đồ histogram biểu diễn tần số cấp độ hạt của các phương án khác
nhau .....................................................................................................................67
Hình 5.4 Biểu đồ so sánh độ bền kéo của các mẫu và dây hàn ban đầu ................67
Hình 5.5 Biểu đồ so sánh độ giãn dài của các mẫu và dây hàn ban đầu sau khi đứt
.............................................................................................................................68
Hình 5.6 Ảnh chụp hình thái đứt gãy của mẫu thử kéo của các phương án: .........69
Hình 5.7 Ảnh chụp hình thái đứt gãy của mẫu thử kéo của các phương án: .........70
Hình 5.8 Biểu đồ so sánh độ bền kéo, độ giãn dài và tần suất hạt tại các vị trí A, B,
C của phương án 1 ...............................................................................................71
Hình 5.9 Biểu đồ so sánh độ bền kéo, độ giãn dài và tần suất hạt tại các vị trí A, B,
C của phương án 2 ...............................................................................................72
Hình 5.10 Biểu đồ so sánh độ bền kéo, độ giãn dài và tần suất hạt tại các vị trí A,
B, C của phương án 3 ..........................................................................................73
Hình 5.11 Biểu đồ so sánh độ bền kéo, độ giãn dài và tần suất hạt tại các vị trí A
của phương án 4 ...................................................................................................74
Hình 5.12 Biểu đồ tần suất hạt tại các vị trí B, C của phương án 4 .......................75

14

Chương 1

MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề
Hiện nay, in 3D (Three Dimensional Printing) hay cịn gọi là phương pháp Gia
cơng đắp lớp (Additive Manufacturing) đang trở nên phổ biến và trở thành xu hướng
mới trong các lĩnh vực chế tạo máy trên thế giới. Theo tiêu chuẩn ASTM (American
Society of Testing and Materials) có 7 phương pháp đắp lớp như: Direct Engergy
Deposition – DED, Powder Bed Fusion – PBF, Material Jetting, Binder Jetting, Sheep
Lamination, Vat Photopolymer, Material Extrusion. Các phương pháp trên đều chủ yếu
sử dụng nguyện liệu kim loại dạng bột hoặc dung dịch, tỷ lệ đắp thấp dẫn đến kéo dài
thời gian và chi phí thiết bị tương đối cao. Để có thể khắc phục được những vấn đề trên
thì phương pháp đắp lớp WAAM được ra đời. Khơng những nó có ưu điểm lớn với khả
năng khơng giới hạn về khơng gian, mà cịn chỉ giới hạn về vùng làm việc cánh tay
robot hoặc hành trình của các trục có thể đạt được và nhờ vậy có thể giảm đáng kể chi
phí vật liệu. Vì vậy, phương pháp WAAM sẽ thích hợp trong việc tạo ra các chi tiết có
kích thước lớn mà các phương pháp đắp lớp khác không thực hiện được cũng như thay
thế các phương pháp truyền thống khi sản xuất các chi tiết có kích thước lớn trong các
lĩnh vực như ơ tơ, kiến trúc, hàng hải…
Xét về chi phí ngun vật liệu, vì công nghệ WAAM là sự kết hợp của cánh tay
robot hoặc máy CNC với công nghệ hàn (GMAW hoặc GTAW) để tạo ra các biên
dạng. Nên chi phí nguyên vật liệu chủ yếu là dây hàn nên rẻ đáng kể so với chi phí vật
liệu dạng bột của các cơng nghệ đắp lớp khác và dễ dàng tìm kiếm trên thị trường.
Tuy nhiên, độ bền của lớp đắp chính là vấn đề quan trọng đối với phương pháp
WAAM. Do quá trình đắp lớp có liên quan đến hàn nên gây ra ứng suất dư và biến
dạng sản phẩm do nhiệt độ cao và sẽ ảnh hưởng đến độ bền của sản phẩm. Vì vậy, đề
tài “Chế tạo mẫu hàn đắp ứng với các phương án hàn khác nhau” được thực hiện
với mục đích tìm hiểu sự ảnh hưởng của các phương án hàn đắp đến tổ chức tế vi và độ
bền cơ học của sản phẩm thông qua phương pháp WAAM.

1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước.
Cơng nghệ đắp lớp WAAM hiện vẫn chưa được phổ biến ở Việt Nam cũng như
cũng chưa có nhiều cơng trình nghiên cứu về tổ chức tế vi và độ bền cơ học của sản
phẩm với công nghệ đắp lớp WAAM.

15

1.3.

Tình hình nghiên cứu ngồi nước.

Cơng nghệ đắp lớp WAAM bắt đầu được nghiên cứu từ khá lâu và đến nay cũng
có nhiều kết quả nghiên cứu được cơng bố cũng như các sản phẩm của phương pháp
này được áp dụng vào các lĩnh vực trong thực tiễn như: hàng hải, ô tô, hàng không…
Bài báo “GMAW-Based Metal Deposition Using Semi - automatic Movement
Setup” xuất bản tháng 1 năm 2022:
Bài báo đưa ra các đặc tính cấu trúc vi mơ tại mặt cắt của hai lớp kim loại đắp lên
nhau, cũng như tại vùng kim loại cơ bản và vùng ảnh hưởng nhiệt (Heat affected zone
- HAZ) được thực hiện để quan sát các thay đổi của tế vi trong cấu trúc kim loại. Độ
cứng vi mô tối đa được quan sát thấy tại HAZ và nó giảm dần về phía các lớp trên cùng
theo một mẫu cụ thể.
Bài báo “Weld Bead Modeling and Process Optimization in Hybrid Layered
Manufacturing” xuất bản năm 2011:
Bài báo này tác giả kết hợp giữa phương pháp gia công phay và hàn GMAW để
tạo mẫu hàn đắp. Tác giả đưa ra 2 thông số cơ bản là dòng điện hàn và tốc hàn để tiến
hành đắp lớp, rồi đưa ra cơng thức tốn học để tối ưu về bước dịch, lượng dư gia công…
khi tiến hành đắp lớp và cuối cùng so sánh kết quả thực nghiệm với thực tế.
Bài báo “Research on GMAW based non-supporting thin-wall structure
manufacturing” xuất bản ngày 2/03/2021:

Sản xuất bồi đắp dựa trên hàn hồ quang là một cách nhanh chóng và hiệu quả để
chế tạo các phôi kim loại phức tạp và không đều. Kết cấu kim loại tường mỏng được
sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Tuy nhiên, rất khó để nhận ra các cấu trúc tường
mỏng dạng tự do khơng có hỗ trợ. Bài báo này nhằm đề xuất một phương pháp mới chế
tạo kết cấu tường mỏng khơng đỡ (NSTWS) bằng hàn hồ quang kim loại khí (GMAW)
với sự trợ giúp của cánh tay robot nhiều bậc tự do.
Trong những ngành cơng nghiệp chính, hàng khơng vũ trụ là một trong những
ngành hiện đang mở khóa tiềm năng đầy đủ của WAAM. Đối với các ứng dụng hàng
khơng vũ trụ, WAAM có thể được sử dụng để sản xuất các kết cấu lớn như các tấm gia
cố cứng và sườn, làm cho quy trình sản xuất tổng thể bền vững và tiết kiệm chi phí. Ví
dụ, nhà sản xuất STELIA Aerospace, gần đây đã tạo ra các tấm thân máy bay bằng
nhôm với các chất tạo cứng được sản xuất trực tiếp trên bề mặt, sử dụng công nghệ
WAAM. Và với STELIA Aerospace cũng khám phá khả năng tích hợp WAAM với tối
ưu hóa cấu trúc liên kết, chúng ta có thể thấy nhiều lợi ích gây rối của WAAM trong
ngành công nghiệp hàng không vũ trụ.
Khi ngành xây dựng mở ra lợi thế về sản xuất đắp lớp, WAAM cũng có thể được
sử dụng trong các ứng dụng kiến trúc. Lấy ví dụ, cầu thép của công ty MX3D được xây

16

dựng nhờ công nghệ WAAM đa trục và thể hiện sự tự do thiết kế do sản xuất phụ gia
cung cấp.
Kết luận: Công nghệ WAAM hiện được nghiên cứu phổ biến ở nước ngồi do
những tính năng nổi bật mà công nghệ này mang lại so với công nghệ sản xuất truyền
thống từ hình dáng, kích thước đến độ chính xác vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu và
cải thiện. Tuy nhiên, ở Việt Nam vẫn chưa có nhiều nghiên cứu về cơng nghệ WAAM.
Vì vậy, đề tài “Chế tạo mẫu hàn đắp ứng với các phương án hàn khác nhau” sẽ là
nền tảng khả thi để góp phần đưa công nghệ WAAM trở nên phổ thông trong ngành
công nghiệp cơ khí chế tạo nói riêng và cơng nghiệp cơ khí nói chung tại Việt Nam.

1.4. Mục tiêu của đề tài
Đề tài “Chế tạo mẫu hàn đắp ứng với các phương án hàn khác nhau” được
thực hiện với mục đích:
 Tìm hiểu về khả năng tạo hình của phương pháp WAAM.
 Tìm hiểu của các phương án hàn có ảnh hưởng như thế nào đến tổ chức tế vi và
độ bền của mẫu.
 Tìm hiểu mối liên hệ giữa các phương án hàn: Vị trí các lớp hàn, các đường hàn,
độ dày của các lớp hàn….
1.5. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
1.5.1 Đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu các phương án hàn của công nghệ WAAM ảnh hưởng đến tổ chức tế
vi, độ bền cũng như khả năng tạo hình của sản phẩm kim loại.
1.5.2 Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu quá trình đắp lớp bằng phương pháp hàn MAG bằng vật liệu thép. Đề
tài chủ yếu tập trung vào sự thay đổi của các phương án hàn để xem xét sự ảnh hưởng
đối với tổ chức tế vi và độ bền kéo. Dựa trên các tài liệu nghiên cứu về tế vi và độ bền
kéo của đường hàn để đánh giá, phân tích cơ tính của sản phẩm thơng qua các phương
án, chiến lược hàn.
1.6. Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm.
1.6.1 Nghiên cứu lý thuyết
Thu thập các tài liệu liên quan đến công nghệ WAAM.
Sử dụng phần mềm để đánh giá các kết quả thực nghiệm, đưa mơ hình ràng buộc
để dự đốn cũng như so sánh với thực tế về độ bền cũng như biến dạng của sản phẩm.

17

1.6.2 Nghiên cứu thực nghiệm
Đưa ra nhiều mơ hình sản phẩm ứng với các phương án khác nhau, thực hiện kiểm

tra tổ chức tế vi bằng kính hiển vi và kiểm tra độ bền của sản phẩm bằng máy kiểm tra
bền kéo, từ đó thu thập số liệu từ những mẫu sản phẩm đó. Sử dụng phương pháp thống
kê để tìm hiểu sự thay đổi cũng như ràng buộc của các yếu tố ảnh hưởng đến sản phẩm,
so sánh với nghiên cứu lý thuyết để từ đó có thể rút ra được kết luận tối ưu nhất.
1.7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
1.7.1 Y nghĩa khoa học
Thể hiện được sự liên hệ giữa các phương án của q trình đắp lớp từ đó có thể
dự đốn được sự thay đổi của sản phẩm, làm cơ sở để xây dựng các quy trình đắp lớp
khác có quy mô lớn hơn và phức tạp hơn.
Đưa ra được các tiêu chỉ để đánh giá được 1 sản phẩm đắp lớp kim loại có chất
lượng tốt.
1.7.2 Ý nghĩa thực tiễn
WAAM là nền tảng của ngành công nghiệp mới và là một trong những công nghệ
trong danh mục công nghệ ưu tiên đầu tư phát triển của đất nước. Việc nghiên cứu và
phát triển công nghệ đắp lớp WAAM kim loại sẽ có tác động lớn đến sản xuất cũng
như phát triển xã hội.
Giảm được lượng thời gian gia công cũng như chi phí sản xuất cho các doanh
nghiệp mà vẫn có thể đạt được chất lượng cao.
Giúp cơng nghệ đắp lớp WAAM trở nên được phổ biến hơn. Các doanh nghiệp
nhỏ, vừa và những người đam mê với công nghệ này có thể tiếp cận được một cách
trực quan hơn.
1.8. Giới hạn của đề tài
Chỉ nghiên cứu trong công nghệ hàn MAG.
Kiểm tra tổ chức tế vi và độ bền kéo của mẫu hàn.
Sử dụng dây hàn GM – 70S
1.9. Kết cấu đồ án
Ngoài phần mở đầu và các mục lục theo quy định, nội dung nghiên cứu của đồ án
dự kiến được trình bày trong 6 chương như sau:
Chương 1: Mở đầu.
Trình bày mục đích của việc thực hiện đè tài.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết.

18

Trình bày lý thuyết về in 3D kim loại. Các yếu tố, thơng số ảnh hưởng đến q trình.
Chương 3: Nghiên cứu chế tạo mẫu thử.
Tiến hành thiết kế và chế tạo mẫu thử.
Chương 4: Kiểm tra và đánh giá mẫu.
Trình bày các bước cũng như phương pháp trước khi tiến hành kiểm tra mẫu.
Chương 5: Thống kê và đánh giá kết quả kiểm tra mẫu.
Trình bày các thơng số kết quả cũng như đưa ra các biểu đồ lực và đánh giá kết quả.
Chương 6: Kết luận.
Tài liệu tham khảo.

19

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Tổng quan về công nghệ gia công đắp lớp AM
Công nghệ gia công đắp lớp (AM) coi là một cuộc cách mạng công nghiệp mới
sau cách mạng công nghiệp 3.0. Khác với gia công cắt gọt, như các quy trình gia cơng,
đúc và rèn thơng thường, AM xây dựng cấu trúc ba chiều (3D) bằng cách liên tục thêm
từng lớp vật liệu với sự lập trình của mơ hình thiết kế có sự trợ giúp của máy tính
(CAD). Nhiều loại vật liệu khác nhau gồm polyme, kim loại, gốm sứ, thủy tinh, vật liệu
sinh học và vật liệu composite, chúng đều xuất hiện trong phương pháp AM. Hình 2.1
minh họa lộ trình cơng nghệ của AM [1].

Hình 2.1 Ngun lý hoạt động của AM [11]
Cơng nghệ đắp lớp AM (in 3D) hiện được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác như
cơng nghiệp đóng tàu, hàng không, ô tô, y sinh, …Chúng đã và đang tiếp tục nghiên
cứu và có thể coi là cơng nghệ đầy tiềm năng trong tương lai.
2.2 Phân loại công nghệ đắp lớp AM

Hình 2.2 Các phương pháp đắp lớp
Theo tiêu chuẩn ASTM 2013 (American Society of Testing and Materials), có 7
phương pháp đắp lớp [2]:

20

Binder Jetting: vật liệu dạng bột đã được trải phẳng được liên kết với nhau theo
từng lớp bởi một lớp nhựa được phun ra và sau đó lắng đọng tại những vị trí được lập
trình lại để tạo ra sản phẩm.
Material Jetting: giọt dung dịch phun và hóa rắn theo từng lớp riêng do tia UV
(Ultraviolet Light).
Sheet Lamination: gồm công nghệ ultrasonic additive manufacturing (UAM) và
laminated object manufacturing (LOM). Các tấm kim loại liên kết với nhau bằng hàn
siêu âm sau đó được gia cơng cơ để hồn thiện chi tiết.
Vat Photopolymer: dung dịch nhựa photopolymer được chứa trong bồn dung dịch
và sau đó được hóa rắn bởi tia UV tại những vị trí xác định theo từng lớp.
Material Extrusion: tương tự như FDM. Sợi nhựa được đùn qua một đầu phun
được gia nhiệt từ đó đắp thành từng lớp đã được xác định vị trí bởi phần mềm chuyên
dụng.
Powder Bed Fusion (PBF): gồm các công nghệ như SLS, SLM, EBM. PBF là
phương pháp mà nguồn nhiệt (laser hoặc chùm tia electron) để làm nóng chảy và thiêu
kết biên dạng kim loại dạng bột đã được trải phẳng.
Direct Energy Deposition (DED): bao gồm LMD, LENS, EBAM. DED là nguồn

năng lượng nhiệt (laser hoặc chùm tia electron) dùng để làm nóng chảy và thiêu kết bột
kim loại được phun ra từ đầu phun đồng trục với nguồn nhiệt.
Ưu điểm, nhược điểm so với phương pháp gia công cắt gọt truyền thống:
Ưu điểm:









Tốc độ hình thành sản phẩm nhanh so với cơng nghệ truyền thống.
Ứng dụng, vật liệu chế tạo đa dạng.
Dễ dàng chuẩn bị, sử dụng và bảo dưỡng.
Nhiều màu sắc khi tạo mẫu.
Tạo ra cấu trúc bất kì, độ phức tạp cao.
Không sử dụng dụng cụ cắt gọt.
Giảm được nhiều bước và ngun cơng.
Tối ưu hóa trong việc thiết kế sản phẩm.

Nhược điểm:





Tốc độ tạo sản phẩm cịn chậm.
Kinh phí về vật liệu cao.

Kích thước bị giới hạn.
Tỷ lệ đắp thấp.

21

Wire Are Additive Manufacturing (WAAM) là một trong những công nghệ đắp
lớp kim loại đã được nghiên cứu khoảng 30 năm và công nghệ này nhận được sự chú
ý lớn do có thể tạo ra các chi tiết bằng kim loại với cấu trúc gần tinh, kích thước lớn và
tỷ lệ đắp cao. WAAM kết hợp nhiều công nghệ hàn MIG, MAG hoặc TIG với hệ thống
robot hoặc máy CNC. Nó giúp giảm tỉ lệ lãng phí kim loại trong q trình gia cơng
(BTF- BuyTo Fly ratios).
2.3. Gia cơng đắp lớp bằng hồ quang (Wire Arc Additive Manufacturing - WAAM)
Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) là một quy trình sản xuất được sử
dụng để in 3D hoặc sửa chữa các bộ phận kim loại. Thuộc phương pháp đắp lớp Direct
Energy Deposition (DED). WAAM tạo hình 3D bằng cách hàn và tạo các lớp đắp lên
nhau với hình dạng mong muốn. Nó là sự kết hợp của hai quy trình sản xuất: Hàn hồ
quang kim loại bằng khí (GMAW) và gia cơng đắp lớp. GMAW là một quy trình hàn
được sử dụng để nối các bộ phận kim loại bằng hồ quang điện và gia công đắp lớp là
thuật ngữ công nghiệp cho in 3D. Việc sản xuất các bộ phận sử dụng WAAM được
thực hiện bởi rơ-bốt hàn tích hợp với nguồn điện. Một mỏ hàn gắn vào rô-bốt hoặc đầu
trục máy CNC làm nóng chảy nguyên liệu dây để chế tạo các bộ phận 3D [3].

Hình 2.3 Cấu tạo hệ thống WAAM [12]
So với các phương pháp gia công đắp lớp trên, WAAM vượt trội hơn các quy
trình sản xuất thông thường và các kỹ thuật DED khác theo một số cách. Những lợi
thế này gồm:
 Kích thước lớn: Kích thước có thể in tối đa chủ yếu phụ thuộc vào tầm với của
robot hàn hoặc máy được sử dụng. WAAM cung cấp khả năng sản xuất các bộ
phận có kích thước trên một mét khối. Kích thước có thể in tối đa có thể được

tăng lên bằng việc sử dụng đường ray rô-bốt và bộ điều khiển hàn.
 Thiết kế đắp lớp tự do: WAAM và các phương pháp gia cơng đắp lớp khác
cho phép sản xuất các hình dạng tương đối phức tạp. Điều này cũng có nghĩa

22











là việc tối ưu hóa cấu trúc liên kết và sản xuất các bộ phận được thiết kế chung
trở nên dễ tiếp cận hơn.
Chi phí đắp lớp thấp: So với các hệ thống DED khác như thiêu kết laser kim
loại trực tiếp hoặc gia công đắp lớp chùm tia điện tử, WAAM có chi phí thấp
hơn. WAAM cung cấp tỷ lệ đắp lớp cao hơn so với các kỹ thuật AM khác, điều
này cũng giúp cho chất lượng và chi phí của quy trình hiệu quả hơn.
Sử dụng được với nhiều loại vật liệu khác nhau: WAAM sử dụng dây tiêu
hao làm nguyên liệu. Tùy thuộc vào yêu cầu của sản phẩm mà sử dụng các loại
dây hàn có chất liệu khác nhau. Cung cấp nhiều loại vật liệu và tính chất cơ
học để thiết kế và sản xuất một bộ phận.
Gia cơng kết hợp: WAAM có thể được sử dụng kết hợp với các phương pháp
sản xuất khác để thêm các đặc điểm cụ thể vào các bộ phận được sản xuất theo
cách truyền thống.

Tổng hợp vật liệu: WAAM có khả năng thiết kế các bộ phận được phân loại
theo chức năng, trong đó nhiều vật liệu có thể được kết hợp để thiết kế một bộ
phận, ví dụ: hợp kim coban Stellite 6 và hợp kim sắt AISI 316L.
Giảm thiểu lượng dư: vật liệu đắp WAAM được đắp lớp ở những nơi cần thiết,
nhờ vậy có khả năng giảm được 50% lượng dư. Từ các khối rắn hoặc các bộ
phận được làm từ vật liệu đắt tiền, ví dụ như titan việc này phù hợp với WAAM
để tránh mất mát chi phí. Tối ưu hóa cấu trúc liên kết từ đó có thể tối đa hóa
hiệu quả trong việc sử dụng vật liệu.
Tính chất cơ học: WAAM có thể vượt trội hơn các tính chất cơ học của quy
trình sản xuất đúc và rèn.

MIG hoặc MAG sẽ thích hợp khi thực hiện đắp lớp với chi tiết bằng nhôm hoặc
thép do nguyên liệu cấp đồng trục với súng hàn nên dễ dàng trong việc đắp lớp. TIG
làm tốt khi đắp lớp với chi tiết bằng titan để cải thiện được chất lượng của chi tiết. Tuy
nhiên, hê thống cấp dây cần tách riêng với súng hàn làm cho việc lập trình sẽ phức tạp
hơn.
Có một số nhược điểm làm hạn chế công nghệ WAAM là biến dạng và ứng suất
dư sinh ra với lượng nhiệt hàn lớn sẽ dẫn đến chính xác khơng cao, biến dạng và chất
lượng bề mặt thấp, không thể tạo ra được chi tiết có độ phức tạp cao như các phương
pháp đắp lớp khác.
Cơng nghệ WAAM có thể được áp dụng để tạo ra các sản phẩm có kích thước lớn
trong các lĩnh vực hàng khơng, đóng tàu, ơ tơ,…

23

Chế tạo mẫu hàn ứng với các phương án hàn khác nhau

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về